Machine learning for geospatial data : algorithms, software tools and case studies

Résumé Cette thèse est consacrée à l'analyse, la modélisation et la visualisation de données environnementales à référence spatiale à l'aide d'algorithmes d'apprentissage automatique (Machine Learning). L'apprentissage automatique peut être considéré au sens large comme une sous-catégorie de l'intelligence artificielle qui concerne particulièrement le développement de techniques et d'algorithmes permettant à une machine d'apprendre à partir de données. Dans cette thèse, les algorithmes d'apprentissage automatique sont adaptés pour être appliqués à des données environnementales et à la prédiction spatiale. Pourquoi l'apprentissage automatique ? Parce que la majorité des algorithmes d'apprentissage automatiques sont universels, adaptatifs, non-linéaires, robustes et efficaces pour la modélisation. Ils peuvent résoudre des problèmes de classification, de régression et de modélisation de densité de probabilités dans des espaces à haute dimension, composés de variables informatives spatialisées (« géo-features ») en plus des coordonnées géographiques. De plus, ils sont idéaux pour être implémentés en tant qu'outils d'aide à la décision pour des questions environnementales allant de la reconnaissance de pattern à la modélisation et la prédiction en passant par la cartographie automatique. Leur efficacité est comparable au modèles géostatistiques dans l'espace des coordonnées géographiques, mais ils sont indispensables pour des données à hautes dimensions incluant des géo-features. Les algorithmes d'apprentissage automatique les plus importants et les plus populaires sont présentés théoriquement et implémentés sous forme de logiciels pour les sciences environnementales. Les principaux algorithmes décrits sont le Perceptron multicouches (MultiLayer Perceptron, MLP) - l'algorithme le plus connu dans l'intelligence artificielle, le réseau de neurones de régression généralisée (General Regression Neural Networks, GRNN), le réseau de neurones probabiliste (Probabilistic Neural Networks, PNN), les cartes auto-organisées (SelfOrganized Maps, SOM), les modèles à mixture Gaussiennes (Gaussian Mixture Models, GMM), les réseaux à fonctions de base radiales (Radial Basis Functions Networks, RBF) et les réseaux à mixture de densité (Mixture Density Networks, MDN). Cette gamme d'algorithmes permet de couvrir des tâches variées telle que la classification, la régression ou l'estimation de densité de probabilité. L'analyse exploratoire des données (Exploratory Data Analysis, EDA) est le premier pas de toute analyse de données. Dans cette thèse les concepts d'analyse exploratoire de données spatiales (Exploratory Spatial Data Analysis, ESDA) sont traités selon l'approche traditionnelle de la géostatistique avec la variographie expérimentale et selon les principes de l'apprentissage automatique. La variographie expérimentale, qui étudie les relations entre pairs de points, est un outil de base pour l'analyse géostatistique de corrélations spatiales anisotropiques qui permet de détecter la présence de patterns spatiaux descriptible par une statistique. L'approche de l'apprentissage automatique pour l'ESDA est présentée à travers l'application de la méthode des k plus proches voisins qui est très simple et possède d'excellentes qualités d'interprétation et de visualisation. Une part importante de la thèse traite de sujets d'actualité comme la cartographie automatique de données spatiales. Le réseau de neurones de régression généralisée est proposé pour résoudre cette tâche efficacement. Les performances du GRNN sont démontrées par des données de Comparaison d'Interpolation Spatiale (SIC) de 2004 pour lesquelles le GRNN bat significativement toutes les autres méthodes, particulièrement lors de situations d'urgence. La thèse est composée de quatre chapitres : théorie, applications, outils logiciels et des exemples guidés. Une partie importante du travail consiste en une collection de logiciels : Machine Learning Office. Cette collection de logiciels a été développée durant les 15 dernières années et a été utilisée pour l'enseignement de nombreux cours, dont des workshops internationaux en Chine, France, Italie, Irlande et Suisse ainsi que dans des projets de recherche fondamentaux et appliqués. Les cas d'études considérés couvrent un vaste spectre de problèmes géoenvironnementaux réels à basse et haute dimensionnalité, tels que la pollution de l'air, du sol et de l'eau par des produits radioactifs et des métaux lourds, la classification de types de sols et d'unités hydrogéologiques, la cartographie des incertitudes pour l'aide à la décision et l'estimation de risques naturels (glissements de terrain, avalanches). Des outils complémentaires pour l'analyse exploratoire des données et la visualisation ont également été développés en prenant soin de créer une interface conviviale et facile à l'utilisation. Machine Learning for geospatial data: algorithms, software tools and case studies Abstract The thesis is devoted to the analysis, modeling and visualisation of spatial environmental data using machine learning algorithms. In a broad sense machine learning can be considered as a subfield of artificial intelligence. It mainly concerns with the development of techniques and algorithms that allow computers to learn from data. In this thesis machine learning algorithms are adapted to learn from spatial environmental data and to make spatial predictions. Why machine learning? In few words most of machine learning algorithms are universal, adaptive, nonlinear, robust and efficient modeling tools. They can find solutions for the classification, regression, and probability density modeling problems in high-dimensional geo-feature spaces, composed of geographical space and additional relevant spatially referenced features. They are well-suited to be implemented as predictive engines in decision support systems, for the purposes of environmental data mining including pattern recognition, modeling and predictions as well as automatic data mapping. They have competitive efficiency to the geostatistical models in low dimensional geographical spaces but are indispensable in high-dimensional geo-feature spaces. The most important and popular machine learning algorithms and models interesting for geo- and environmental sciences are presented in details: from theoretical description of the concepts to the software implementation. The main algorithms and models considered are the following: multi-layer perceptron (a workhorse of machine learning), general regression neural networks, probabilistic neural networks, self-organising (Kohonen) maps, Gaussian mixture models, radial basis functions networks, mixture density networks. This set of models covers machine learning tasks such as classification, regression, and density estimation. Exploratory data analysis (EDA) is initial and very important part of data analysis. In this thesis the concepts of exploratory spatial data analysis (ESDA) is considered using both traditional geostatistical approach such as_experimental variography and machine learning. Experimental variography is a basic tool for geostatistical analysis of anisotropic spatial correlations which helps to understand the presence of spatial patterns, at least described by two-point statistics. A machine learning approach for ESDA is presented by applying the k-nearest neighbors (k-NN) method which is simple and has very good interpretation and visualization properties. Important part of the thesis deals with a hot topic of nowadays, namely, an automatic mapping of geospatial data. General regression neural networks (GRNN) is proposed as efficient model to solve this task. Performance of the GRNN model is demonstrated on Spatial Interpolation Comparison (SIC) 2004 data where GRNN model significantly outperformed all other approaches, especially in case of emergency conditions. The thesis consists of four chapters and has the following structure: theory, applications, software tools, and how-to-do-it examples. An important part of the work is a collection of software tools - Machine Learning Office. Machine Learning Office tools were developed during last 15 years and was used both for many teaching courses, including international workshops in China, France, Italy, Ireland, Switzerland and for realizing fundamental and applied research projects. Case studies considered cover wide spectrum of the real-life low and high-dimensional geo- and environmental problems, such as air, soil and water pollution by radionuclides and heavy metals, soil types and hydro-geological units classification, decision-oriented mapping with uncertainties, natural hazards (landslides, avalanches) assessments and susceptibility mapping. Complementary tools useful for the exploratory data analysis and visualisation were developed as well. The software is user friendly and easy to use.

Reinald Porchet, Pirrus, Garsion et sa fille: autour de quelques particularités d'adaptation dans "Le Siège d'Antioche avec la conquête de Jérusalem" (inédit) tiré de Baudri de Bourgueil

Considérations autour de la chanson de geste "Le Siège d'Antioche avec la conquête de Jérusalem", qui se dit tirée de la chronique de Baudri de Bourgueil. Mise au point sur la tradition manuscrite du texte et étude plus détaillée de passages illustrant comment le récit diffère de sa (ou plutôt, ses) source(s) latine(s) et de "La Chanson d'Antioche" du cycle de la Première Croisade.

Evaluation et prise en charge des risques de blessure des ischio-jambiers chez le sprinteur

La déchirure des ischio-jambiers est la blessure non-traumatique la plus fréquemment rencontrée dans les sports demandant une course à haute vitesse. Les ischio-jambiers sont particulièrement vulnérables lors de la fin de phase d'oscillation du sprint étant donné qu'ils se contractent excentriquement alors qu'ils sont en position d'allongement. Le renforcement excentrique a été montré comme étant une méthode efficace pour diminuer le risque de blessure. Cependant, les exercices classiquement utilisés comme le Nordic hamstring ne soumettent pas les ischio-jambiers à un niveau d'allongement spécifique au sprint. Dès lors, l'objectif de cette thèse était d'évaluer le fonctionnement des ischio-jambiers à différents niveaux d'allongement musculo- tendineux puis de transposer dans la pratique les résultats obtenus afin de concevoir des exercices plus spécifiques aux besoins des athlètes. Avant cela, une première partie avait pour but de proposer de nouvelles méthodes d'évaluation de terrain des ischio-jambiers. Les différents travaux réalisés pour cette thèse ont permis : 1) de proposer deux nouveaux outils de terrain pour l'évaluation de la flexibilité et de la force des ischio-jambiers ; 2) de montrer que le niveau d'allongement influence directement la force produite par les ischio-jambiers et de suggérer que ce niveau d'allongement semble être un stimulus au moins aussi déterminant que le mode de contraction musculaire pour générer des adaptations de l'architecture musculaire propices à la diminution du risque de blessure ; 3) de proposer des modalités spécifiques de renforcement des ischio-jambiers destinées aux sprinteurs dans une perspective de prévention des blessures et de montrer l'efficacité de ces recommandations sur l'amélioration d'un certain nombre de facteurs de risque de blessure. Finalement, ce travail a ouvert de nouvelles perspectives allant de la proposition d'exercices de renforcement de terrain au développement d'un système motorisé spécifique au sprint permettant le renforcement et l'évaluation de la force des ischio-jambiers en passant par différents projets de recherche. -- High-speed running sports accounts for the majority of hamstring strains. The terminal swing phase of the running cycle is believed to be the most hazardous as the hamstrings are undergoing an active lengthening contraction in a long muscle length position. Prevention-based strength training relies mainly on eccentric exercises. However, most hamstrings exercises like the Nordic hamstring are performed at an inadequately low hip-flexion angle. Thus, the objective of this thesis was to assess the hamstring function at different muscle lengths and depending on the obtained results to design strength exercises more specific to the athlete's need. Before that, a first part of this thesis aimed to develop new assessment methods of the hamstring on site. The different studies included in the present thesis allowed: 1) to propose two new methods to test the hamstring flexibility and strength on the field; 2) to show that the hamstring muscle length directly influences its level of strength, and to suggest that the training range of motion could be a dominant stimulus (as important than contraction type) for modifying the muscle architecture, which leads to a decrease in hamstring injury risk; 3) to define sprint specific parameters for prevention-based strength training, and to show the efficiency of these recommendations on the improvement of several injury risk factors for the hamstring. Finally, this thesis proposed new perspectives: 1) new strength exercises on site; 2) the development of a motorised device specific for the sprint which could be used to strength and to assess the hamstring; 3) several future research projects.

Responsiveness et changement thérapeutique au travers de l'études de cas

Le concept de responsiveness ou « responsivité » a été proposé dans le domaine de la recherche en psychothérapie pour décrire l'influence mutuelle qui s'exerce continuellement entre patient et thérapeute. La nature responsive des psychothérapies pose alors un problème majeur aux chercheurs, qui adoptent généralement des plans de recherche impliquant des liens de cause à effet et sont en échec dans leur entreprise de mieux comprendre le changement thérapeutique. L'objectif de notre travail est de proposer des pistes pour répondre à ce problème. Nous avons adopté la méthode d'étude de cas, qui permet une analyse en profondeur et en contexte des processus de changement. Dans les deux premières phases de la recherche, nous nous situions dans une approche spécifique à la recherche qualitative en psychothérapie. Nous avons tout d'abord analysé comment le changement s'effectuait chez le patient, en identifiant pas à pas le niveau d'assimilation de ses expériences problématiques. Nous avons ensuite tenté d'appréhender le rôle du thérapeute dans le processus de changement. Notre objectif était d'analyser comment la responsivité du thérapeute pouvait faciliter le processus de changement chez le patient à chaque instant de la thérapie. En suivant une procédure inspirée de l'analyse de la tâche, nous avons identifié pour chaque niveau d'assimilation des interventions thérapeutiques suivies de progression, et élaboré un modèle empirique séquentiel. Dans la troisième phase de la recherche, nous avons effectué un tournant dans notre parcours et sommes allée du côté des sciences du langage. En adoptant une approche dialogique du discours, notre objectif était d'éclairer notre objet d'étude à partir d'une nouvelle perspective et d'ouvrir la réflexion. Nous avons ainsi pu répondre à certaines limites rencontrées dans les premières phases de la recherche, et faire émerger de nouvelles questions et perspectives pour l'étude des processus de changement dans une dimension interactive. -- The concept of responsiveness was developed in psychotherapy research to describe the mutual and constant influence between patient and therapist. The responsive nature of psychotherapy is a serious problem for researchers, who generally adopt research designs involving cause-effect reasoning and fail to better understand therapeutic change. The purpose of our work is to propose some viable possibilities to respond to this problem. We chose the case study method, which enables an analysis in depth and in context of change processes. In the two first phases of research, our approach was specific to qualitative psychotherapy research. We first analyzed how change occurred in the patient, by identifying moment-by-moment the level of assimilation of his or her problematic experiences. We then tried to apprehend the therapist role in the change process. Our aim was to analyze how the therapist responsiveness could facilitate the patient change process at any moment of psychotherapy. We followed a procedure inspired by task analysis and, for each level of assimilation, we identified therapist interventions followed by progression, and elaborated an empirical sequential model. The third phase of research was a turning point, as we went in the field of linguistics. We adopted a dialogical approach of discourse to open up reflection. Thus, we could answer some limitations encountered in the first phases of research, and new questions and perspectives to study change process taking into account the interactive dimension emerged.

Assessing chronic disease management in European health systems : concepts and approaches

This book comprises two volumes and builds on the findings of the DISMEVAL project (Developing and validating DISease Management EVALuation methods for European health care systems), funded under the European Union's (EU) Seventh Framework Programme (FP7) (Agreement no. 223277). DISMEVAL was a three-year European collaborative project conducted between 2009 and 2011. It contributed to developing new research methods and generating the evidence base to inform decision-making in the field of chronic disease management evaluation (www.dismeval.eu). In this book, we report on the findings of the project's first phase, capturing the diverse range of contexts in which new approaches to chronic care are being implemented and evaluating the outcomes of these initiatives using an explicit comparative approach and a unified assessment framework. In this first volume, we describe the range of approaches to chronic care adopted in 12 European countries. By reflecting on the facilitators and barriers to implementation, we aim to provide policy-makers and practitioners with a portfolio of options to advance chronic care approaches in a given policy context.

Die Schweizer Wirtschaftselite im Spannungsfeld zwischen Globaliesierungs-prozessen und nationalen Institutionen

The purpose of this article is to show how globalization processes contributed to the decline of national institutions in the selection and development of Swiss business elites, drawing from empirical data from two recent research projects. The first database contains profile characteristics of CEOs and chairmen from 110 biggest Swiss companies over a 30 years period. The second database contains information collected in 2009 on profiles and careers of more than 900 top managers working for more than 100 multinational corporations in four countries (France, Germany, United Kingdom and Switzerland). The analysis of our data allows us to illustrate and describe the globalization of profiles and the decline of national and traditional elements. The Swiss case can be brought in perspective and compared with other countries, in particular with France.

Eosinophilic granulomatosis with polyangiitis (Churg-Strauss) (EGPA) Consensus Task Force recommendations for evaluation and management.

OBJECTIVE: To develop disease-specific recommendations for the diagnosis and management of eosinophilic granulomatosis with polyangiitis (Churg-Strauss syndrome) (EGPA). METHODS: The EGPA Consensus Task Force experts comprised 8 pulmonologists, 6 internists, 4 rheumatologists, 3 nephrologists, 1 pathologist and 1 allergist from 5 European countries and the USA. Using a modified Delphi process, a list of 40 questions was elaborated by 2 members and sent to all participants prior to the meeting. Concurrently, an extensive literature search was undertaken with publications assigned with a level of evidence according to accepted criteria. Drafts of the recommendations were circulated for review to all members until final consensus was reached. RESULTS: Twenty-two recommendations concerning the diagnosis, initial evaluation, treatment and monitoring of EGPA patients were established. The relevant published information on EGPA, antineutrophil-cytoplasm antibody-associated vasculitides, hypereosinophilic syndromes and eosinophilic asthma supporting these recommendations was also reviewed. DISCUSSION: These recommendations aim to give physicians tools for effective and individual management of EGPA patients, and to provide guidance for further targeted research.

Le médecin au centre: pour une approche de l'expérience vécue [Toward the lived experience of the physician].

For manyyears, a major focus of interest has been the patient, in the context of a constantly changing society and increasingly complex medical practices. We propose to shift this focus on the physician, who is entangled in a similar, but less evident way. In these three articles, we explore, in succession, the lived experience of the contemporary physician, the ethos which brings together the medical community, and the education of the future physician, using research projects currently under way within the Service of Liaison Psychiatry at Lausanne University Hospital. In this first article, we particularly raise the question of what is the lived experience of the physician and sketch the outline of <physician-centered> research.